Методика расчёта остаточной надёжности действующих трубопроводов водоснабжения и канализации

Дрозд Г.Я.; Хвортова М.Ю.; Бизирка И.И.

SciUp \ Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Транспортирование, распределение и хранение жидкостей и газов. Установки, оборудование и аппаратура

Методика расчёта остаточной надёжности действующих трубопроводов водоснабжения и канализации

Дрозд Г.Я. Хвортова М.Ю. Бизирка И.И.

Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel

Рубрика: Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса

Статья в выпуске: 3 (52), 2026 года.

Бесплатный доступ

Цель исследования – совершенствование методики оценки остаточной надежности наружных трубопроводов водоснабжения и канализации. В работе использованы методы: статистического анализа, эмпирический метод исследования, математико‑статистический и вычислительный. Получены результаты: обоснован выбор исходных данных для определения показателей вероятности безотказной работы участка трубопровода; предложена методика оценки надежности работы трубопроводов водоснабжения и водоотведения с учетом отказов от природного и техногенного воздействий и продолжительности эксплуатации; для удобства инженерных расчетов предложены табличные формы определения показателей для трубопроводов водоснабжения и водоотведения в зависимости от материала труб, их диаметров и толщины стенок. Выводы: предложенная методика расчетов остаточной надежности действующих трубопроводов водоснабжения и канализации может являться объективной основой для принятия решений об очередности восстановительно ремонтных работ участков трубопроводной сети.

методика расчетов \ ресурс остаточной надежности \ канализационные \ водопроводные сети \ восстановительно ремонтные работы

Короткий адрес: https://sciup.org/147255295

IDS: 147255295 | УДК: 621.644

Methods for calculating the residual reliability of existing water supply and sewage pipelines

The aim of the study is to improve the methodology for assessing the residual reliability of external water supply and sewage pipelines. The following methods were used in the work: statistical analysis, empirical research method, mathematical‑statistical, and computational methods. The following results were obtained: the choice of initial data for determining the probability indicators of the failure‑free operation of a pipeline section was substantiated; a methodology for assessing the reliability of water supply and wastewater pipelines was proposed, taking into account failures caused by natural and man‑made impacts and the duration of operation; for the convenience of engineering calculations, tabular forms for determining the indicators for water supply and wastewater pipelines were proposed, depending on the pipe material, their diameters, and wall thickness. Conclusions: the proposed methodology for calculating the residual reliability of existing water supply and sewage pipelines can serve as an objective basis for making decisions regarding the priority of restoration and repair work on sections of the pipeline network.

Текст научной статьи Методика расчёта остаточной надёжности действующих трубопроводов водоснабжения и канализации

Сложившаяся практика эксплуатации трубопроводов водоподачи и водоотведения, основанная на принципах ликвидации аварий и их последствий, является многозатратной и малопроизводительной.

Для жилищно-коммунального комплекса России основным направлением является планирование строительства и капитального восстановления элементов городской инфраструктуру, в том числе и трубопроводов. В условиях ограниченности финансовых ресурсов, необходимых для реконструкции городских инфраструктур, требуется применение превентивных мероприятий, направленных на упреждение аварийных ситуаций. Это позволит обеспечить значительное сокращение затрат на эксплуатацию и стоимость аварийно-восстановительных ремонтных работ.

Одной из основных причин, затрудняющих эксплуатирующему предприятию реализовать систему планово-предупредительных ремонтов трубопроводов, является отсутствие информации об уровне надежности каждого участка сети трубопроводов, обслуживаемых им.

Наличие сведений о надежности трубопроводных сетей способствует разработке планово-предупредительных мероприятий при эксплуатации трубопроводов с 1 95

возможностью определения участков трубопроводов с наименьшими уровнями надежности. Это способствует предотвращению аварийных ситуаций трубопроводов за счет планирования оптимальных сроков планово-предупредительных ремонтов.

Совершенствование методики оценки остаточной надежности наружных трубопроводов водоснабжения и канализации является основным направлений исследований.

Материалы и методы исследования

Отказы трубопроводов вызваны производственными дефектами, техногенными воздействиями, эксплуатационными повреждениями трубопроводов. Каждому из отказов соответствует закон распределения вероятностных событий. Отказы, вызванные дефектами при изготовлении труб, можно описать степенной функцией; от внешних воздействий -экспоненциальным законом; отказы старения описываются нормальным законом распределения вероятностей (законом Гаусса) [1].

Остаточная надежность трубопроводов определяется по показателю вероятности безотказной работы участка трубопровода на начало, средину и конец планового года P ( t ), где t - время (в годах) от ввода трубопровода в эксплуатацию до расчетной даты с учетом только двух видов отказов - от дефектов старения и от внешних воздействий, так как производственные дефекты обычно выявляются при пуско-наладочных работах во время испытаний трубопроводов и в первые годы их эксплуатации.

Исходными данными для определения показателей вероятности безотказной работы участка трубопровода являются:

- материал и геометрические размеры труб;
- глубина заложения трубопровода;
- геологические условия по всей длине участка;
- уклоны, скорости транспортируемых жидкостей;
- наличие агрессивных сред внутри и вне трубопровода;
- наличие абразивных компонентов в стоках (для канализации), дата ввода участка в эксплуатацию;
- материалы обследований и паспортизации.

Надежность безотказной работы участка трубопровода P(t) определяется по формуле (1):

P(t) = P э (t) + P_c(t) - 1, (1)

где P э ( t ) - вероятность безотказной работы участка трубопроводов с учетом отказов только от природных и техногенных воздействий; P с ( t ) - вероятность безотказной работы участка с учетом отказов по причине времени эксплуатации; t - время эксплуатации.

Вероятность безотказной работы участка с учетом только внешних динамических воздействий определяется по формуле (2):

P э (t) = 1 ~^ , (2)

где: X - параметр экспоненциального распределения; l - число « I» , равное ~2.72.

Параметр X может быть определен на основании обобщения статистических материалов о природных и техногенных динамических процессах на трассе трубопровода и (или) соответствующих экспертных оценках специалистов по формуле: п т

Л = ^\ Pi+^r, Р,). (3)

i=i )=1

где: n – количество динамических природных процессов, проявляющихся на трассе участка трубопровода; m - колчество техногенных динамических процессов; Vi - частота i -го природного процесса (1/ год); Tj - частота j -го техногенного процесса (1/ год); Pi -вероятность возникновения отказа трубопровода при действии i -го природного процесса; PTj - вероятность появления отказа трубопровода при действии частота j -го техногенного процесса. Величины Vi , P[,Zj ,PTj определяются преимущественно на основании экспертных оценок, статистических материалов и аналогов.

К основным природным динамическим процессам относятся:

- землетрясения (с разделением на группы по баллам);
- просадки грунтов;
- сдвиги поверхности грунта (на подрабатываемых территориях);
- сдвиги при оползнях; оседание земной поверхности (на карстовых территориях);
- образование провалов (на карстах);
- изменения нагрузки при наводнениях;
- размыв засыпки трубопровода и др.

К техногенным воздействиям на трубопроводы относятся: повреждения трубопроводов при взрывных работах вблизи трубопровода; повреждения трубопроводов при бестраншейных прокладках других трубопроводов; соприкосновения с трубопроводом землеройной и буровой техники и другие.

Вероятность безотказной работы участка трубопровода с учетом только дефектов его старения рассчитываются по формулам (4) и (5):

РСЮ = ^0 Р^) при (^—-^ > 0;(4)

Pc(t) = 1 - Fo р-^) при р-^) < 0;(5)

v On о о_п )

где: ап - проектное значение параметра а - нормального распределения; оп - проектное значение параметра о нормального распределения;

Fo (^п—) - табулированная функция ^п нормированного нормального распределения.

В общем виде а_п определяется по формуле (6): (а + 1) ■ К^т

ап

К г ,

где: К_Г - коэффициент глубины заложения трубопровода (определяется по таблице 1); m -показатель стойкости к разрушению и коррозии материала труб (определяется по таблице 2); а - нормативное значение параметра нормального распределения отказов для данного типа труб ( определяется по таблице 3); K – коэффициент интенсивности разрушения стенок труб.

Значения коэффициента КГ, приведенные в таблице 1, определены на основании обобщения исследований о зависимости частоты отказов трубопроводов от глубины заложения.

Таблица 1 - Значения коэффициента К Г

Глубина заложения трубопровода до верха труб, м	Значения коэффициента К Г	Глубина заложения трубопровода до верха труб, м	Значения коэффициента К _Г
1	2	3	4

Глубина заложения трубопровода до верха труб, м	Значения коэффициента К Г	Глубина заложения трубопровода до верха труб, м	Значения коэффициента К Г
0,5	1,2	3,5	1,00
1,0	1,15	4,0	1,00
1,5	1,10	4,5	1.01
2,0	1,05	5,0	1,02
2,5	1,03	5,5	1,05
3,0	1,01	6,0	1,06

Стойкость стенок труб к разрушениям и коррозии в значительной мере зависит от материала труб, в первую очередь, от таких его качеств, как пористость, плотность, изотропность, кислотостойкость, щелочестойкость, водопоглащение, механическая прочность, хрупкость и др. Если, например, материал стенок труб имеет значительные показатели по объемной пористости (до 40-50 %) и анизотропную структуру строения, то это увеличивает вероятность раннего появления в них дефектов. В таблице 2 приведены значения показателя m для основных материалов труб.

Таблица 2 – Значения показателя m

№ п/п	Материал труб	Значение m
1.	Сталь	1.05
2.	Чугун	1.10
3.	Железобетон	1.25
4.	Бетон	1,30
5.	Асбестоцемент	1,28
6.	Керамика	1,26
7.	Пластмасса (полиэтилен высокой плотности)	1.10

Нормативные значения параметра α нормального распределения, приведенные в таблице 3 для различных типов труб, определены на основании обобщения имеющихся в литературе [2-4 и др.] данных об их средних сроках службы.

В расчетах надежности восстанавливаемых объектов параметр α соответствует среднему сроку их службы (Тср), что выражается зависимостью Тср = α. Поскольку средние сроки службы трубопроводов различных типов в нормальных условиях их эксплуатации определяют нормативные значения параметра α.

Коэффициент интенсивности разрушения стенок труб вычисляется по формуле (7):

а(8 + 8^)

где: S - толщина стенок труб в мм (из таблицы 3); 8 - интенсивность разрушения стенок труб от коррозии, мм/год; 8И - интенсивность разрушения стенок труб от абразивного износа, мм/год.

Таблица 3 – Параметры α и σ нормального распределения вероятностных показателей надежности работы трубопровода

Трубопроводы водоподачи
Материал труб (по СНиП)	α, σ и толщина стенок труб (S, мм) по диаметрам (мм) труб
	200			300			400
	α	σ	S	α	σ	S	α	σ	S
Стальные	15	1.8	6	16	1,7	8	17	1,5	10
Чугунные	32	2,0	17	35	1.9	13	38	1,75	15
Железобетонные				24	2,5	50	29	2,3	55
Асбестоцементные	16	2,2	17	19	1,8	22	23	1,4	29
Полит. выс.пл. (ПВП) Пластмассовые	44	1,5	8,7 12,8 20,5	46	1,35	13,7 20,1	48	1,25	17,3 25,5
Материал труб (по СНиП)	α, σ и толщина стенок труб (S, мм) по диаметрам (мм) труб
	500			600			700
	α	σ	S	α	σ	S	α	σ	S
Стальные	18	1,3	10	19	1,2	11	20	1,0	12
Чугунные	42	1,6	16	46	1,5	18	50	1,36	19
Железобетонные	34	2,2	55	36	2,0	65	38	1,8	65
Асбестоцементные	25	1,0	36
Полит. выс.пл. (ПВП) Пластмассовые	50	1,1	36,7	52	1,0	46,3	53	0,85
Материал труб (по СНиП)	α, σ и толщина стенок труб (S, мм) по диаметрам (мм) труб
	800			1000			1500
	α	σ	S	α	σ	S	α	σ	S
Стальные	21	0,8	12	22	0,7	14	24	0,4	20
Чугунные	55	1,25	21	63	1,0
Железобетонные	39	1,7	65	41	1,1	75	42	1,0	80
Асбестоцементные
Полит. выс.пл. (ПВП) Пластмассовые	54	0,75		56	0,5

Трубопроводы водоотведения
Стальные	16	1,8	7	18	1,7	9	19	1,5	10	20	1,3	10
Чугунные	27	1,8	11	29	1,7	13	31	1,6	15	34	1.5	16
Железобетонные				18	2,0	50	22	1,85	50	24	1,7	60
Бетонные	14	2,6		17	2,35		21	2,05		23	1,75
Асбестоцементные	17	2,1	17,5	21	1,8	22,5	25	1,5	26,5	28	1,3	36,0
Керамические	20	2,0	20	26	1,8	27	31	1,7	30	35	1,6	36
Пластмассовые	48	1,5	12,8	50	1,35	20,1	52	1.25	25,5	53	1,1	36,7

Стальные	21	1,2	11	22	1,0	12	23	0,8	12	0,7	14	26	0,4	18
Чугунные	37	1,4	18
Железобетонные	27	1,55	70	29	1,4	75	31	1,3	80	1,0	100	40	0,8	100
Бетонные	25	1,5
Асбестоцементные	30	1,0	42
Керамические	39	1,5	41
Пластмассовые	54	1,0	46,3	55	0,8		56	0,75		0,5

Интенсивность коррозии δ стенок труб зависит от показателей агрессивности жидкостей в трубопроводах ( и во внешней грунтовой массе) и может быть определена при помощи графиков [ см. 2, рис. 30) , таблиц [ см. 2, табл. 15, 22], формул [ см. 2, с.82] и други х

Агротехника и энергообеспечение. – 2026. – № 3 (52) 99

источников. Интенсивность абразивного износа Зи стенок труб может быть определена по формулам [по 2, с.31]:

З _иб = 0,037 • V ⁴,³⁸⁸ (8)

З им = 0,006 • V ²,⁹¹ (9)

где: З иб — интенсивность абразивного износа бетонных, железобетонных, асбестоцементных и керамических труб, мм/год; З _им - интенсивность абразивного износа стальных и чугунных труб, мм/год; ν – скорость потока стоячей воды, м/сек.

Второй параметр нормального распределения 7п рассчитывается по формуле (10): 67 • К

^7п = (2 - К) ™ • К^т ' ⁽¹⁰⁾

где 7 - нормативное значение параметра (определяется по табл. 3); остальные символы такие же, как и в формуле для определения 7_п.

Физический смысл параметра 7 при расчете показателей надежности трубопроводов (как восстанавливаемых элементов) заключается в том, что величина его числовых значений зависит от времени появления отказов трубопроводов в период их средних сроков службы. Если отказы появляются задолго до окончания среднего срока службы трубопровода, то этой ситуации соответствуют большие числовые значения параметра 7, если отказы появляются только перед достижением среднего срока службы трубопровода, то числовые значения 7 в этом случае малы. Раннее или позднее появление отказов трубопровоа зависит от толщины стенок труб и от свойств материала труб, указываемых показателем m, приведенным в таблице 2. При высокой плотности, изотропности, водонепроницаемости, коррозионной устойчивости материала труб имеет место позднее появление дефектов старения трубопровода. С учетом этих факторов в таблице 3 приведены усредненные числовые значения параметра 7 для нормальных условий эксплуатации, определенные на основании имеющихся статистических данных об отказах трубопроводов [2-7 и др.]. Оценочные значения параметра 7 определяются путем подбора его числовых значений, дающих значения интенсивностей отказов, соответствующих статистическим данным.

Результаты и их анализ

Приведенные в таблице 3 числовые значения параметров α и σ следует рассматривать как первое приближение к нормативным их значениям для различных типов трубопроводов.

По мере накопления статистических данных об отказах трубопроводов различных типов пот годам их эксплуатации нормативные значения параметров α и σ должны уточняться.

После определения значений яп и 7п вычисляются величины ^2—. На основании On которых определяются числовые значения табулированных функций Fo —— по таблице 4, On и вычисляются значения соответствующих показателей вероятностей безотказной работы трубопровода Fc(t) с учетом отказов старения по формулам (4) или (5).

Таблица 4 – Значение функции нормированного нормального распределения

x	Cотые доли x
x	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0.0 0	5000	5040	5080	5120	5160	5199	5239	5273	5319	5359
0.1 0	5398	5438	5478	5517	5557	5596	5636	5675	5714	5753

x	Cотые доли x
x	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0.2 0	5793	5832	5871	5910	5948	5987	6026	6064	6103	6141
0.3 0	6179	6217	6255	6293	6331	6368	6406	6443	6480	6517
0.4 0	6554	6591	6628	6664	6700	6736	6772	6807	6844	6879
0.5 0	6915	6950	6985	7019	7054	7088	7123	7157	7190	7224
0.6 0	7257	7291	7324	7357	7389	7422	7454	7486	7517	7549
0.7 0	7580	7611	7642	7673	7704	7734	7764	7794	7823	7852
0.8 0	7881	7910	7939	7967	7995	8023	8051	8078	8106	8133
0.9 0	8159	8186	8212	8239	8239	8289	8315	8340	8365	8389
1.0 0	8413	8438	8461	8485	8508	8531	8554	8577	8599	8621
1.1 0	8643	8665	8686	8708	8729	8749	8770	8790	8810	8830
1.2 0	8849	8869	8888	8907	8925	8944	8962	8980	8997	9015
1.3 0.9	0320	0490	0658	0824	0988	1149	1308	1466	1621	1774
1.4 0.9	1924	2073	2220	2364	2507	2647	2785	2922	3056	3189
1.5 0.9	3319	3448	3574	3699	3822	3942	4062	4179	4295	4408
1.6 0.9	4520	4630	4738	4845	4950	5053	5154	5254	5252	5449
1.7 0.9	5543	5637	5728	5818	5907	5994	6080	6164	6246	6327
1.8 0.9	6407	6485	6562	6637	6712	6784	6856	6926	6995	7062
1.9 0.9	7128	7193	7257	7320	7381	7441	7500	7580	7615	7670
2.0 0.9	7725	7778	7831	7882	7932	7982	8030	8077	8124	8169
2.1 0.9	8214	8257	8300	8341	8382	8422	8461	8500	8537	8574
2.2 0.9	8610	8643	8679	8713	8745	8778	8809	8840	8870	8899
2.3 0.9	8928	8956	8983	9010	9036	9061	9086	9111	9134	9158
2.4 0.99	1802	2024	2240	2451	2656	2587	3053	3244	3431	3613
2.5 0.99	3790	3693	4132	4297	4457	4614	4766	4915	5060	5211
2.6 0.99	5339	5443	5603	5731	5855	5975	6093	62-7	6319	6427
2.7 0.99	6533	6636	6736	6833	6928	7026	7110	7197	7282	7365
2.8 0.99	7445	7523	7599	7673	7744	7814	7882	7948	8012	8074
2.9 0.99	8134	8193	8250	8305	8359	8411	8462	8511	8559	8605
3.00 0.99	8650	8694	8736	8777	8817	8856	8893	8930	8965	8999
3.10 0.9³	0324	0646	0957	1260	1553	1836	2112	2378	2636	2886
3.20 0.9³	3129	3365	3590	3810	4024	4230	4429	4623	4810	4991
3.30 0.9³	5166	5335	5499	5658	5811	5939	6103	6242	6376	6505
3.40 0.9³	6631	6752	6869	6982	7091	7197	7299	7398	7493	7585
3.50 0.9³	7674	7760	7842	7922	7999	8074	8146	8215	8282	8347
3.60 0.9³	8409	8469	8527	8583	8637	8689	8739	8787	8834	8879
3.70 0.9³	8922	8964	9004	9043	9080	9116	9150	9184	9216	9247
3.80 0.9⁴	2765	3052	3327	3593	3848	4094	4331	4558	4777	4988
3.90 0.9⁴	5190	5385	5573	5753	5926	6092	6252	6406	6554	6696
4.0 0.9⁴	6833	6964	7090	7211	7327	7439	7546	7649	7748	7843
4.1 0.9⁴	7934	8022	8106	8186	8264	8338	8409	8477	8542	8605
4.2 0.9⁴	8665	8723	8778	8832	8832	8931	8978	9023	9066	9107
4.3 0.9⁵	1460	1837	2198	2544	2876	3193	3497	3788	4066	4332
4.4 0.9⁵	4588	4832	5065	5286	5502	5706	5902	6089	6268	6439
4.5 0.9⁵	6602	6759	6908	7051	7187	7418	7442	7561	7675	7784
4.6 0.9⁵	7888	7987	8081	8172	8258	8340	8419	8494	8566	8634
4.7 0.9⁵	8699	8761	8821	8877	8931	8983	9032	9079	9124	9166
4.8 0.9⁶	2067	2454	2822	3173	3508	3827	4131	4420	4696	4958
4.9 0.9⁶	5208	5446	5673	5888	6094	6289	6475	6652	6821	6981
5.0 0.9⁶	7113	7278	7416	7548	7672	7791	7904	8011	8113	8210
5.1 0.9⁶	8302	8389	8472	8551	8626	8698	8765	8830	8891	8949
5.2 0.9⁷	004	056	105	152	197	240	280	318	354	388

x	Cотые доли x
x	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
5.3 0.9⁷	421	452	481	509	539	560	584	606	628	648
5.4 0.9⁷	667	685	702	718	734	748	762	775	787	799
5.5 0.9⁷	810	821	831	840	849	857	863	873	880	886
5.6 0.9⁷	893	899	905	910	915	920	924	929	933	936
5.7 0.9⁷	40	44	47	50	53	55	58	60	63	65
5.8 0.9⁷	67	69	71	72	74	75	77	78	79	81
5.9 0.9⁷	82	83	84	85	86	87	87	88	89	90
6.0 0.9⁷	90	-	-	-	-	-	-	-	-	-

FoW =

е z2/2 • dx.

Ы-х) = 1-F0(x).

На основании вычисленных показателей P э (t) и P_c(t) для некоторого одного периода t работы трубопровода определяется по формуле (1) интегральный показатель вероятности безотказной работы трубопровода P(t).

Выводы

Рассмотренная методика остаточной надежности управления проектами ресурса действующих трубопроводов водоподачи и водоотведения достаточно проста и вполне может быть освоена специалистами технических отделов организаций, осуществляющих эксплуатацию систем водоподачи и водоотведения. Такие расчеты являются, наряду с другими факторами, объективной основой для принятия решений об очередности ремонтов участков трубопроводных сетей и для постепенного перехода к системе плановопредупредительных ремонтов, предотвращающей их аварии.